Operation of Unshielded Kinetic-Inductance Traveling-Wave Parametric Amplifiers in Multi-Tesla Fields

En el mundo silencioso y gélido de la física cuántica, los científicos confían en un tipo especial de susurro electrónico para escuchar las señales más tenues del universo. Para detectar partículas que podrían conformar la materia oscura o para leer el estado de una computadora cuántica, los investigadores necesitan amplificar diminutas ondas de radio sin añadir ruido adicional. Durante años, las mejores herramientas para este trabajo han sido delicados dispositivos construidos a partir de materiales superconductores, que conducen la electricidad con cero resistencia. Sin embargo, estos amplificadores tienen una debilidad fatal: son increíblemente sensibles a los campos magnéticos. Incluso un campo magnético diminuto puede interrumpir las corrientes superconductoras en su interior, provocando que dejen de funcionar. Esto crea un problema importante para experimentos que requieren imanes potentes, como aquellos que buscan axiones, una partícula hipotética que podría explicar la masa invisible del universo. En estos experimentos, se espera que los axiones se conviertan en ondas de radio detectables solo cuando estén bañados en un campo magnético poderoso, pero el mismísimo imán necesario para crear la señal también destruye el amplificador destinado a escucharla.

Para resolver esto, un equipo de investigadores recurrió a un tipo diferente de amplificador que utiliza una propiedad llamada inductancia cinética. A diferencia de los dispositivos tradicionales que dependen de pequeñas uniones que se rompen fácilmente ante los campos magnéticos, la inductancia cinética proviene de la inercia de los pares de electrones que se mueven a través de un superconductor. Este mecanismo es naturalmente mucho más resistente contra la interferencia magnética. Los investigadores, trabajando en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, se propusstedieron a probar si estos amplificadores robustos podían realmente funcionar dentro de los intensos entornos magnéticos requeridos para las búsquedas de materia oscura. Construyeron dos versiones del dispositivo y las colocaron dentro de un imán masivo capaz de generar campos de más de un Tesla y medio, una fuerza aproximadamente treinta mil veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra.

El equipo descubrió que la orientación del amplificador con respecto al campo magnético era el factor decisivo. Cuando posicionaron el dispositivo de modo que el campo magnético lo golpeara de lado, perpendicular a su superficie, el amplificador perdió su capacidad de aumentar las señales a una fuerza de campo muy baja de solo 0,02 Tesla. Sin embargo, cuando rotaron el dispositivo de modo que el campo magnético corriera paralelo a su superficie, los resultados fueron sorprendentes. En esta alineación, el amplificador continuó funcionando eficazmente incluso cuando el campo magnético se aumentó a más de un Tesla. De hecho, los investigadores encontraron que el dispositivo funcionaba mejor, logrando su mayor aumento de señal, cuando el campo magnético estaba entre 0,25 y 0,5 Tesla. Esto sugiere que el campo magnético no simplemente rompe el dispositivo, sino que de hecho cambia sus propiedades internas de una manera que puede ser gestionada.

Para entender por qué sucedió esto, los científicos observaron de cerca cómo el campo magnético interactuaba con el material superconductor. Observaron que el campo causaba diminutos vórtices magnéticos, o remolinos de flujo magnético, que entraban en el material. Estos vórtices crean una forma de fricción que disipa la energía, razón por la cual la señal se debilita. Sin embargo, el equipo encontró que el estado superconductor no se destruía. En su lugar, el campo magnético aumentaba ligeramente la inductancia cinética del material. Al ajustar la frecuencia de la señal de bombeo utilizada para impulsar el amplificador, los investigadores pudieron compensar este cambio y restaurar el rendimiento del dispositivo. Esto significa que el amplificador no necesita ser blindado del imán; puede operar directamente dentro del campo, siempre que esté orientado correctamente y sintonizado a la frecuencia adecuada.

Los investigadores también probaron la durabilidad de estos dispositivos exponiéndolos a múltiples ciclos de encendido y apagado del campo magnético, aumentando la fuerza hasta 2,5 Tesla. Incluso después de estos tratamientos repetidos y severos, los amplificadores conservaron su capacidad de funcionar, sin mostrar signos de daño permanente o la necesidad de un ciclo de enfriamiento especial para reiniciarlos. Esta resiliencia es un paso significativo hacia adelante, ya que demuestra que estos amplificadores pueden sobrevivir a las condiciones de los experimentos de materia oscura del mundo real. El estudio confirma que los amplificadores paramétricos de onda viajera de inductancia cinética pueden proporcionar una fuerte amplificación de señal sobre un amplio rango de frecuencias mientras se encuentran dentro de campos magnéticos de varios Teslas. Esta capacidad abre la puerta a búsquedas más sensibles de materia oscura y otros experimentos de física fundamental que anteriormente estaban limitados por la fragilidad de sus sensores electrónicos.